Page 16 - 《应用声学》2023年第6期

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针对试样 1，选用中心频率 5 MHz 与 10 MHz
的聚焦探头，扫描步进 0.1 mm，图 5 给出对应超声
C 扫描图像。结果显示，中心频率 5 MHz 探头所得
图像较为模糊；相比之下，随着检测频率提升，取向
多变的流道轮廓表征效果得到改善。一方面，中心
频率 10 MHz 探头的焦斑直径均约为 0.89 mm，而
5 MHz 探头焦斑直径达到 1.46 mm，探头焦斑增大
导致扫描精度和分辨能力降低。另一方面，探头中
心频率也会影响微流控芯片的 C 扫描图像分辨力，
随着探头频率增加，产生的超声波波长减小，可检出
的流道尺寸变小，则表征效果提升。
2
y/mm 1
1 2 3 4
x/mm
(a) 5 MHz
2
y/mm 1
1 2 3 4
x/mm
(b) 10 MHz
图 5 不同检测频率下的试样 1 超声 C 扫描图像
Fig. 5 Ultrasonic C-scan images with different
detection frequencies for Sample 1
图 6 给出了 C 扫描图像中流道横截面区域的
颜色幅值变化曲线。对比可见，5 MHz 探头检测
时的流道间峰谷值波动较小，而 10 MHz 检测频率
下的曲线起伏明显，且相对更加平滑，有助于确
定流道数量及变化。在此基础上，利用峰值对流
道间距实施定量。试样 1 中 8 条流道之间的邻近中
心间距设计值是 2.0 mm，10 MHz 探头的流道中
心间距测量值为 1.90∼2.10 mm，测量误差不超过
5%。中心频率 5 MHz 探头的流道中心间距测量值
为 1.70∼2.40 mm，测量误差最大达到 20%。因此，
应尽量选择高频 (如 10 MHz 以上)、小焦斑探头检
测微细尺寸流道，以提升流道特征辨识能力。
2023 年 11 月
120 5 MHz
10 MHz
90
ࣨϙ (arb. units) 60
30
0
24.0 28.0 32.0 36.0 40.0
ᡰሏ/mm
图 6 不同检测频率 C 扫描图像流道横截面幅值变
化曲线
Fig. 6 Amplitude variation of channel cross-
section in C-scan images with different detection
frequencies
扫描步进主要影响成像效率和检测效果。研究
中利用中心频率 10 MHz 探头，分别采用 0.5 mm、
0.2 mm和0.1 mm扫描步进，对流道宽度200 µm的
5
试样1进行超声 C扫描检测，结果如图 7所示。在不
同扫描步进下，均可辨识流道特征变化，但表征效果
存在差异。图 8 给出了不同扫描步进下的流道横截
面的颜色幅值变化曲线。考虑到相同范围内的实际
采样点数不同，则通过插值使得各曲线点数一致，随
后进行平滑处理。结果显示，虽然检测频率和增益
等参数相同，但流道宽度仅为 200 µm，扫描步进越
5 大，越难以捕捉到流道区域的峰值信息，导致C扫描
图像分辨力降低。随着扫描步进减小，曲线起伏变
化明显，步进 0.1 mm 时的曲线峰值较步进 0.2 mm
提高 50.7%，较步进 0.5 mm 提高 63.8%。在此基础
上，根据有无流道处的声阻抗差异，读取曲线中
的相邻峰值间隔，对流道中心间距实施定量。步进
0.1 mm时的流道中心间距测量值为1.90∼2.10 mm，
测量误差不超过 5%。扫描步进为 0.2 mm 时，流道
中心间距测量值为 1.80∼2.00 mm，测量误差最大
达到 10%。因此，实际检测中应选择小的扫描步
进检测微细尺寸流道，以提高流道表征分辨力和
定量精度。
比较而言，超声 C 扫描步进大，可以缩短成像
用时，提高成像效率，但易出现漏检或流道边缘表征
不清晰等问题，导致定量误差增大；减小扫描步进
有助于提高图像分辨力和流道表征效果。实际检测
中应综合考虑检测效率与分辨力，合理选择 C 扫描
参数。